09392522438  
 EN | FA
مدیر ارشد

مدیر ارشد

 

نسل جدید سلول های خورشیدی، پروسکایت های هیبریدی آلی-معدنی

گزارشات اخیر طول نفوذ بیش از μm1 را برای الکترون-حفره در پروسکایت های ترکیبیِ هالوژن دارِ آلی-معدنی نشان داده اند.

این مشاهدات انتظارات را در زمینه ی ساخت سلول های خورشیدی ارزان و کارآمد بالا برده است [1].

موادی که فرمول شیمیایی آنها ABX3 و ساختار مکعبی دارند به عنوان مواد پروسکایت شناخته می شوند و این نام پس از کشف ترکیب CaTiO3 مورد استفاده قرار گرفت [2].

در این فرمول شیمیایی جایگاه ها ی A و B می توانند کاتیون های غیر آلی با ظرفیت و شعاع یونی متفاوت باشند.

به روش دیگر، گونه های آلی مناسب می توانند جایگزین کاتیون A شده و مواد ترکیبی آلی-غیرآلی را تولید کنند [3] (شکل 1).

 

 

perovskite under solar

شکل ‏1: ساختار بلوری امکانپذیر پروسکایت های هالوژن دار CH3NH3PbI3.

خواص فیزیکی جالب توجهی مانند مقاومت مغناطیسی[1]، فروالکتریسیته[2] و ابررسانایی[3] در پروسکایت ها در طی یک قرن گذشته کشف شده است [3, 4]. به تازگی، پروسکایت های هیبریدی آلی-معدنی (بویژه CH3NH3PbX3 که X= I, Cl, Br) در نتیجه ی عملکرد بالایشان در تبدیل نور خورشید به الکتریسیته، با PCE گزارش شده ای فراتر از 20% در سال 2015 [4]، مورد توجه بیشتری قرار گرفته اند. این نتایج چشمگیرتر خواهند بود اگر بدانیم که نخستین سلول خورشیدی پروسکایتی در سال 2009 با PCE اندکی در حدود 8/3% گزارش شده بود [5].

این نمونه ی اولیه بر پایه ی معماری قدیمی سلول های خورشیدی حساس به رنگ ساخته شده بود که در آن ترکیبات آلی-معدنی بر روی لایه مزومتخلخل TiO2 قرار داده شده (شکل 2 ب) بود. کارهای اخیر نشان داده است که ساختارهای ساده تری با ایجاد یک لایه ی پروسکایتی ساندویچ شده بین یک لایه ی نازک و فشرده از TiO2 و یک ترکیب آلی هدایت کننده ی حفره (شکل 2 الف) نیز می تواند نور خورشید را با بازدهی بالاتر از 10% به الکتریسته تبدیل کند [6].

 

structure of perovskites

شکل 2: معماری سلول خورشیدی پروسکایتی. الف) سلول خورشیدی پروسکایتی لایه ای. ب) سلول خورشیدی پروسکایتی بر روی مزومتخلخل TiO2[7].

 

بطور قطع چنین شیبی در منحنی یادگیری در طراحی و توسعه ی پروسکایت های هیبریدی در زمینه تحقیقات فوتوولتائیک بی سابقه بوده است. با این حال کشف مکانیزم پشت این عملکرد استثنایی با چنین سرعتی رشد نکرده است.

تحقیقاتی که به تازگی توسط هنری جی اسنیت[4] و همکارانش [8] و تز سی سام[5] و همکارانش [9] بطور مستقل از یکدیگر پیرامون اندازه گیری طول نفوذ الکترون-حفره در پروسکایت های هیبریدی در نشریه ساینس[6] منتشرشده است، مسیر کشف دینامیک برانگیختگی های اکسیتونی[7] را در این مواد روشن تر کرده است. هر دو تیم به کمک آزمایش نورتابی[8] موفق به اندازه گیری طول نفوذ الکترون-حفره شدند.

آن ها بر روی یک لایه ی نازک پروسکایتی، لایه ای از مولکول های خاموش کننده[9] نشاندند تا به مانند چاهی برای الکترون-حفره هایی که درون لایه ی نازک حرکت می کنند و به سطح لایه ی پروسکایتی و لایه ی خاموش کننده می رسند، عمل کنند. این نورتابی مواد مورد مطالعه بستگی به ضخامت لایه ی نازک و طول نفوذ (LD) ذرات برانگیخته ی نوری دارد که این پارامتر را می توان به کمک مدل کردن منحنی واهلش نورتابی بر اساس معادله ی پخش یک بعدی ساده استخراج کرد.

یکی از چالش برانگیزترین جنبه های این تکنیک تعیین دقیق "طول جابجایی[10]" ذرات برانگیخته می باشد. به عبارت دیگر ضخامت لایه ی مورد بررسی می بایست دقیقا مورد کنترل قرار گیرد تا کمترین خطا را در محاسبه ی LD داشته باشیم. در همین رابطه، تلاش های اسنیت و همکارانش در زمینه ی بهینه سازی ضخامت لایه ی پروسکایتی [7] که در کارهای گذشته ایشان انجام شده امکان یک برآورد قابل اعتماد از طول نفوذ الکترون-حفره را فراهم آورد. هر دو گروه، LD حدود nm 100 را برای الکترون و حفره در ترکیب CH3NH3PbI3 گزارش کردند. به علاوه، گروه اسنیت پروسکایت های ترکیبی از هالوژن ها (CH3NH3PbI3-xClx) را نیز بررسی کردند و در این موارد، LD فراتر از μm 1 را بدست آوردند. این عدد بزرگ، امیدها را قوت بخشید زیرا در اینصورت امکان ساخت سلول های خورشیدی ای با لایه ی فعال ضخیمتری فراهم می شود. در این صورت جذب نور افزایش می یابد بدون آنکه بر روی بهره ی جمع آوری حامل های تولید شده تاثیری بگذارد. تحت این شرایط PCE بیش از 15% امکانپذیر خواهد بود.

 

اما چه چیزی همچنان مطالعه ی اینگونه مواد را به این اندازه هیجان انگیز کرده در حالی که PCE آن ها هنوز از نمونه های رایج فوتوولتائی دیگر مانند سلول تک بلور سیلیسیم (PCE حدود 25%) و لایه ی نازک مس-ایندیم-گالیم (PCE حدود 4/20%) فاصله دارد؟

پاسخ در هزینه ی تولید پایین تر تکنولوژی فوتوولتائی مبتنی بر پروسکایت نهفته است. در واقع، این مواد می توانند مستقیماً از حالت محلول لایه نشانی شوند، رهیافتی ارزان و تنظیم پذیر که مهمترین چالش تکنولوژی های جایگزینی مانند فوتوولتائی های آلی[11]، سلول های خورشیدی حساس به رنگ و سلول های خورشیدی کلوئیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی[12] می باشد.

در مقابل اینگونه دستگاه ها، که در حال حاضر به نظر نمی رسد که قادر باشند بهره ی خود را به بیش از 10% برسانند، پروسکایت ها هم فرآیند ساخت ساده تر و هم بازده توان تبدیلی بالاتری دارند، که این ویژگی ها احتمالا به خاطر طبیعت هیبریدی آنان می باشد.

در واقع، ترکیبات آلی، پروسکایت ها را حل پذیر و فرآیند خودمونتاژی[13] آنها را تسهیل کرده و امکان لایه نشانی آنها را از حالت محلول فراهم نموده است. در همین حین، ترکیبات معدنی چهارچوب گسترده ای را به واسطه ی برهمکنش های قوی کووالانسی و یونی شکل می دهند که به احتمال زیاد عامل اصلی حفظ ساختار بلوری لایه های نشانده شده بوده و متضمن تحرک نسبتا خوب حامل های پروسکایت ها می باشد [3].

همانگونه که توسط اسنیت و همکارانش نشان داده شد، ساختارهای پروسکایتی آلایش یافته با هالوژن های مختلف منجر به طول نفوذ حامل های (یا اکسیتون) بیشتر از µm 1 شده است که این عدد نسبت به طول انتشار nm 10 گزارش شده برای سلول های خورشیدی مبتنی بر پلیمر-فلورن، قابل ملاحظه است [10].

پس از این نتایج جالب توجه و مشاهده ی بهره ی بالای این گونه سلول های خورشیدی، اکنون نوبت آن است که خواص فیزیکی ای که منجر به امیدبخش بودن پروسکایت های هیبریدی برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته می شود را تحلیل و بررسی کرد. نکته ی دیگری که باید به آن پرداخت، همانگونه که اسنیت و همکارانش در حال بررسی آن هستند، پاسخ به این سوال است که آیا حامل هایی که در این دسته از مواد تولید می شوند اکسیتون هستند یا ذرات آزاد باردار.

همچنین می توان جنبه های دیگری را نیز بررسی کرد:

  • تحرک الکترون و حفره ها در این ساختارها چگونه است؟
  • ساختار شیمیایی پروسکایت های هیبریدی چگونه است و چطور بر رفتارهای ترابردی ذرات تولید شده ی نوری تاثیر می گذارد؟
  • نقش دقیق هر یک از اتصالات پیشنهاد شده برای اینگونه از سلولهای خورشیدی چیست؟
  • آیا سلول های خورشیدی پروسکایتی پایدار هستند؟
  • و سرانجام، آیا امکان دارد که بتوان بهره ی اپتیکی و الکتریکی بالایی از ترکیبات آلی-معدنی بدون سرب بدست آورد تا آسیب های زیست محیطی و سمیت این تکنولوژی نوپا را در آینده کاهش داد؟

تنها یک تلاش گسترده و منظم قادر خواهد بود به این سوالات پاسخ داده و از یک عنوان هیجان انگیز به یک تکنولوژی گسترده و ارزان در زمینه ی سلول های خورشیدی منجر شود.

 

Reference:

[1]        Loi MA & Hummelen JC (2013) Hybrid solar cells: perovskites under the sun. Nature materials 12(12):1087.

[2]        Wenk H-R & Bulakh A (2016) Minerals: their constitution and origin (Cambridge University Press).

[3]        Mitzi DB (1999) Synthesis, structure, and properties of organic‐inorganic perovskites and related materials. Progress in inorganic chemistry:1-121.

[4]        Polyakov AO, Arkenbout AH, Baas J, Blake GR, Meetsma A, Caretta A, van Loosdrecht PHM, & Palstra TTM (2011) Coexisting ferromagnetic and ferroelectric order in a CuCl4-based organic–inorganic hybrid. Chemistry of Materials 24(1):133-139.

[5]        Kojima A, Teshima K, Shirai Y, & Miyasaka T (2009) Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. Journal of the American Chemical Society 131(17):6050-6051.

[6]        Eperon GE, Burlakov VM, Docampo P, Goriely A, & Snaith HJ (2014) Morphological control for high performance, solution‐processed planar heterojunction perovskite solar cells. Advanced Functional Materials 24(1):151-157.

[7]        Stranks SD & Snaith HJ (2015) Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nature nanotechnology 10(5):391.

[8]        Stranks SD, Eperon GE, Grancini G, Menelaou C, Alcocer MJP, Leijtens T, Herz LM, Petrozza A, & Snaith HJ (2013) Electron-hole diffusion lengths exceeding 1 micrometer in an organometal trihalide perovskite absorber. Science 342(6156):341-344.

[9]        Xing G, Mathews N, Sun S, Lim SS, Lam YM, Grätzel M, Mhaisalkar S, & Sum TC (2013) Long-range balanced electron-and hole-transport lengths in organic-inorganic CH3NH3PbI3. Science 342(6156):344-347.

[10]      Mikhnenko OV, Azimi H, Scharber M, Morana M, Blom PWM, & Loi MA (2012) Exciton diffusion length in narrow bandgap polymers. Energy & Environmental Science 5(5):6960-6965.

 


[1]Colossal magnetoresistance

[2]Ferroelectricity

[3]Superconductivity

[4]Henry J. Snaith

[5]Tze C. Sum

[6]Science

[7]Exciton excitation

[8]Luminescence

[9]Quenching Molecule

[10]Travelling distance

[11]Organic photovoltaic

[12]Colloidal quantum dot-based solar cell

[13]Self-assembly

Saturday, 07 December 2019 00:22

سلول های خورشیدی

فناوری سلول های خورشیدی

استفاده از سلول های خورشیدی به عنوان منبع تامین انرژی خانگی و تجاری به طور روز افزونی مورد توجه قرار گرفته است.

هزینه ی کلی استفاده از سلول های خورشیدی شامل دو بخش، بهره برداری از "ماژول خورشیدی" و هزینه ی "نصب و راه اندازی" آن است [1]. قیمت ماژول خورشیدی شدیدا به بازده ی توان تبدیلی[1] (PCE) سیستم وابسته است. بازده ی توان تبدیلی با نسبت میزان نوری که سلول خورشیدی به الکتریسیته تبدیل می کند تعیین می شود.

هزینه ی ماژول بر اساس نسبت هزینه ی ساخت هر واحد سطح از قطعه به بازده ی توان تبدیلی و متوسط تولید شدت تابش خورشیدی در میانه یک روز کاملا آفتابی و بدون ابر (معمولا W.m-2 1000) تعیین می شود.

به غیر از ماژول خورشیدی، هزینه ی نصب و راه اندازی و هزینه ی تمامی عناصر دیگر (سیم کشی ها، پشتیبانی، سوئیچ ها و مبدل ها) که در یک سیستم فوتولتائی لازم است را نیز می بایست در نظر گرفت، این هزینه برابر با خود ماژول خورشیدی است. هزینه ی کل نسبت به بیشینه توان یک سیستم فوتوولتائی ($/Wp) طبیعتا دو برابر قیمت خود ماژول خورشیدی خواهد بود و نسبت معکوس با بازده ی توان تبدیلی دارد.

در نهایت، برای محاسبه ی قیمت نهایی هر کیلووات ساعت فاکتورهای دیگری نیز وجود دارند که می بایست به حساب آورده شوند: پوشش ابر، موقعیت خورشید در آسمان که در طول روز تغییر مکان می دهد، چرخه ی روزانه، استهلاک ماژول فوتوولتائی و هزینه ی تعمیر و نگهداری.

بر اساس تحلیل های شاکلی-کوئیزر[2]، PCE قطعات فوتوولتائی با ترکیبات جاذب فعلی فراتر از 33.3% نخواهند رفت [2]. نخستین سلول خورشیدی مبتنی بر سیلیکون که در سال 1941 توسط راسل[3] ساخته شد، PCE کمتر از 1% داشت [3].

از آن به بعد، با توجه به پیشرفت های انجام شده در زمینه ی تولید مواد باکیفت بالاتر و معماری قطعات، مقادیر PCE به مرز محدودیت شالکی-کوئیزر رسیده است. رکورد های ثبت شده ی آزمایشگاهی بازده سلول های خورشیدی بر پایه سیلیکون حدود 6/25% و برپایه گالیم-آرسناید حدود 8/28% می باشند [4].

تکنولوژی های فوتوولتائی جدید، نه تنها می بایست هزینه ی ساخت ماژول خورشیدی را کاهش بدهند بلکه همچنین باید به PCE فراتر از 33%~ نیز دست یابند.

 

solar cell

 

 

 


[1]Power conversion efficiency (PCE)

[2]Shockley–Queisser

[3] Russell Ohl

 

 

تبدیل Primitive Cell به Conventional Cell با VESTA

 

 

 

 

 

نحوه ی استخراج مسیر بنداستراکچر به کمک XcrysDen

 

 

 

 

طریقه parallel کردن نرم افزار ATK

 

 

 

شبیه سازی ساختار دو بعدی با یک حفره با نرم افزار ATK

 

 

 

شبیه سازی نانو تیوب کربنی با نرم افزار ATK

 

 

 

 

 

 

شبیه سازی دو نانو لوله در کنار هم

 

 

Wednesday, 04 December 2019 01:39

ساخت SuperCell با نرم افزار VESTA

چگونه با نرم افزار VESTA یک SuperCell بسازیم

 

 

 

 

ممکن است دانشمندان پنجمین نیروی اصلی طبیعت را کشف کرده باشند

اکنون دانشمندان در حال تحقیق بودند که فرض می کنند دنیای مادی بر چهار ستون استوار است. چهار نیرو "خاک، باد، آب و آتش"که دنیای طبیعی را کنترل می کنند ولی اوضاع به صورت دیگری می باشد.

نیروهایی که جهان را کنترل می کنند و به تعبیری ، جهان مرئی، گرانش، الکترومغناطیس، نیروهای هسته ای ضعیف و نیروهای هسته ای قوی هستند. تحقیقات دانشمندان در انستیتوی تحقیقات هسته ای در آکادمی علوم مجارستان (Atomki) می تواند به یک نیروی دیگر در طبیعت اشاره کند. آن ها یک اتم هلیوم پر انرژی برانگیخته را قبل از بازگشت به حالت پایدار با انتشار نور تماشا می کردند. در طی این فرآیند ، به نظر می رسید که ذرات در مطالعات مکرر در یک زاویه غیرمعمول تقسیم می شوند- همیشه این زاویه 115 درجه در نظر گرفته می شد.

این پدیده که مربوط به هلیوم است، هیچ پایه ای برای توضیح مناسب چهار نیروی شناخته شده حاکم بر جهان طبیعی ندارد و دانشمندان بر این باوردن که ممکن است یک نیروی بنیادی پنجم از طبیعت را کشف کنند و نام  آن را X17 گذاشتند.

 

5th force cern
نتیجه آزمایشات فوتون از مطالعه CERN در سال 2012 ذره ای نشان می دهد که می تواند هیگز باشد. CERN / CMS

 

این همچنین اولین بار نیست که دانشمندان ادعای اجمالی در مورد "نیروی پنجم" پیشنهادی دارند.

چند سال پیش ، همان تیم تحقیقاتی ، ایزوتوپ بریلیم را در هنگام واپاشی مشاهده کردند ، و آن ها را به سمت همان اتم سبک تر مانند هلیوم رساند.

یافته های آن ها نشان داد که ذراتی توسط اتم های بریلیم -8 (رادیواکتیو) با زاویه 140 درجه به صورت عجیب و جدید منتشر شدند.

نویسنده اصلی این مطالعه آتیلا کرازنهاورکی به CNN گفت: "ما ذره ای جدید را معرفی کردیم که قبلاً هیچ کس ندیده بود و وجود آن توسط مدل استاندارد فیزیک ذرات قابل قبول نیست، بنابراین نمی توان آن را درک کرد ،از این رو با بررسی های دقیقی این مسئله روبرو شد.  

 

شبیه سازی یک بوزون هیگز در حال پوسیدگی به چهار میمون در CERN در سال 1990. تصویر گتی  سرن

شبیه سازی یک بوزون هیگز در حال واپاشی به چهار میمون در CERN در سال 1990: گتی / سرن

 

  مشاهدات قدیمی و جدید مشترکات عجیب و غریبی زیادی داشتند.

اگر نوری که توسط اتم بر انگیخته به اندازه کافی پر انرژی باشد که به یک الکترون و یک پوزیترون تبدیل شود آنگاه هر دو قبل از بزرگنمایی ، با زاویه قابل پیش بینی از یکدیگر دور می شوند.

قانون پایستگی انرژی به ما آموخته است هرچه انرژی نوری  که توسط یک جفت ذره آزاد می شود بیشتر باشد، زاویه بین آن ها کوچکتر می شود. در مواردی استثنائاتی وجود دارد، اما تا حد زیادی، این یک رفتار معمولی برای یک اتم برانگیخته است.

دانشمندان فکر می کنند این نیرو احتمالاً ذره ای است که توسط خود اتم ها انجام می شود و آن ها را "X17" می نامند. Krasznahorkay به CNN گفت: این به دلیل جرم محاسبه شده 17 مگا الکترون ولت ، لقب 'X17' دارد. وی در یک ایمیل گفت: "X17 می تواند ذره ای باشد که دنیای قابل مشاهده ما را با ماده تاریک مرتبط می کند."

به نظر می رسد مطالعه این تیم در سال 2016 قوی بوده و توجه بسیاری از محققان در سراسر جهان را به خود جلب کرده است ، که آن ها را به این احتمال اشاره کرد که ممکن است ذره ای کاملاً جدید مسئول ناهنجاری باشد. فیزیکدانان هسته ای از همه جا تلاش کرده اند که در کار مجارستانی ها خللی بیابند که تا کنون ، به نظر می رسد آن ها شکست خورده اند.

 

 

خوشه کهکشان به نام Abell S1063 از چند سال پیش توسط تلسکوپ فضایی هابل

خوشه کهکشان به نام Abell S1063 از چند سال پیش توسط تلسکوپ فضایی هابل ناسا / ESA هابل مشاهده شد.

 

توده عظیمی از خوشه - که حاوی ماده بارونیک و ماده تاریک است - به عنوان بزرگنمایی کیهانی عمل می کند و اشیاء موجود در پشت آن را تغییر شکل می دهد. در گذشته اخترشناسان از این اثر عدسی گرانشی برای محاسبه توزیع ماده تاریک در خوشه های کهکشان استفاده می کردند. با این حال ، یک روش دقیق تر و سریعتر مطالعه نور داخل سلولی (قابل مشاهده در رنگ آبی) است که به دنبال توزیع ماده تاریک است.

 

جاناتان فنگ ، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه کالیفرنیا در ایروین که سال ها پیگیر کار این تیم بوده است ، گفت: "برخی فیزیکدانان هسته ای بسیار شناخته شده هسته ای این تلاش را کرده اند و معتقد است که تحقیقات آن در حال شکل گیری است تا یک تغییر دهنده بازی باشد. از نظر وی ، تیم در صورتی که به نتیجه برسند جایزه نوبل  دور از ذهنی خواهند داشت.

اگر تأیید شود ، X17 فقط ذره ای قدیمی نخواهد بود - مشخصات آن حاکی از آن است که این یک نوع کاملاً جدید بوزون اساسی است که قبلاً مورد مطالعه قرار نگرفته است. این یک کشف مهیج است زیرا سه نیروی چهارگانه شناخته شده حاکم بر جهان طبیعی دارای بوزون های حمل کننده هستند که در فیزیک جذابیت و دفع اشیاء دست خود را به دست می آورند. 

 

 

به علاوه ، نیروی گرانش ظاهراً توسط یک ذره فرضی به نام گراویتون انجام می شود، که دانشمندان پیش بینی کرده اند ولی هنوز کشف نشده است.

 

این مطالعه سال 2016 توسط یک مجله معتبر  Physical Review Letters منتشر شد، در حالی که مطالعه فعلی هنوز در انتظار یک فرآیند بررسی دقیق همسالان است. این یافته ها در ArXiv از قبل منتشر شده است ، جایی که آنها در معرض بررسی دیگران در این زمینه پیش از انتشار هستند.

 

گسترش جهان به مرور زمان

جهان با گذشت زمان در حال گسترش است و تحت تأثیر جاذبه ، یک پهنه کیهانی از ساختارهایی مانند این ها ایجاد می کند. این پهنه حاوی ماده تاریک و طبیعی است

 

کشیدن نامرئی ماده تاریک یکی از دردناک ترین سؤالات در اخترفیزیک مدرن است و می تواند اساساً شیوه ای که ما می بینیم و تعامل با جهان را تغییر می دهیم. دانشمندان امیدوار هستند که یک ذره اساسی جدید و جدید در طبیعت بتواند به راه حلی اشاره کند که جامعه فیزیک به شدت ناامید شده است. به طور خاص ، نیروی پنجم شامل یک "بوزون" اساسی می تواند ماده ای را که ما نمی توانیم با آن ارتباط برقرار کنیم (ماده تاریک).

 

در حال حاضر ، X17 به سادگی مسیری طولانی از ذره ای "رسمی" است که می توانیم به مدل های موجود از طبیعت و ماده اضافه کنیم. این در شرایطی است که تیم می تواند فراتر از هرگونه تردید منطقی را اثبات کند که مشاهدات آن ها صحیح است ، جایی که از ماه ها تا سال ها دورتر است.

 

 

Page 1 of 12

We answer every moment

social 16social 13social 09 social 05